中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)光驅(qū)動(dòng)甲烷到甲酸的高效轉(zhuǎn)化

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)熊宇杰教授和劉東教授在光催化甲烷轉(zhuǎn)化領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Direct Photocatalytic Oxidation of Methane to Formic Acid with High Selectivity via a Concerted Proton–Electron Transfer Process”為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊《Journal of the American Chemical Society》上。

光驅(qū)動(dòng)甲烷直接轉(zhuǎn)化為甲酸是將甲烷轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品并促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的一種前景廣闊的方法。然而，由于甲烷到甲酸涉及復(fù)雜的中間體，這一過(guò)程仍然具有挑戰(zhàn)性。在此，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種以鉑（Pt）活性位點(diǎn)修飾的三氧化鎢（WO3）基光催化劑，通過(guò)質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移過(guò)程促進(jìn)氧活化，產(chǎn)生更多的活性氧物種，實(shí)現(xiàn)高效的甲烷到甲酸的轉(zhuǎn)變。通過(guò)比較Pt單原子（SAs）和純的WO3，他們發(fā)現(xiàn)負(fù)載Pt納米顆粒（NPs）表現(xiàn)出更高的甲烷轉(zhuǎn)化速率、甲酸產(chǎn)物的選擇性。Pt納米粒子可以促進(jìn)氧氣吸附和活化，通過(guò)可以促進(jìn)光生載流子分離，從而實(shí)現(xiàn)O2解離；另外通過(guò)提高溶液中的質(zhì)子濃度，提供足夠的質(zhì)子，從而降低羥基自由基（·OH）形成勢(shì)壘，最終通過(guò)質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移過(guò)程促進(jìn)·OH形成。在這個(gè)反應(yīng)體制中，我們?cè)O(shè)計(jì)的PtNPs-WO3催化劑，可以實(shí)現(xiàn) 17.7 mmol g?1的HCOOH 產(chǎn)率，其HCOOH產(chǎn)物的選擇性為 84%，并表現(xiàn)出優(yōu)異的催化劑穩(wěn)定性。這項(xiàng)研究為甲烷轉(zhuǎn)化催化劑設(shè)計(jì)和反應(yīng)機(jī)理提供了新的思路。